中間熱交換器換熱管熱應力分析

劉佳

摘 要：由于中間熱交換器尺寸大，且工作溫度高等特點，將導致其內部換熱管上下端溫差大，因此換熱管的熱應力是換熱管應力的主要組成。在中間熱交換器中換熱管的熱補償方式非常重要，該文針對不同換熱管熱補償結構，進行熱應力計算和分析，得到不同的熱補償方式對換熱管應力的影響趨勢，并根據標準對換熱管應力進行評價，為后續開展的管接頭結構設計與中間熱交換器管束結構設計的匹配提供輸入。

關鍵詞：中間熱交換器 換熱管 熱補償 熱應力

中圖分類號：TL425 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（b）-0053-02

快堆中一回路液態鈉流入中間熱交換器的殼程，由于管束對一回路鈉流動的阻力作用，殼程液態鈉存在不均勻流量分布，影響到各層換熱管表面不同溫度變化，從而導致每層換熱管在軸向存在不同的熱膨脹。各層管束受到管板的約束后，有的表現為軸向拉力，有的表現為軸向推力，會導致換熱管和管板連接接頭的損壞或者換熱管自身的破裂。大型中間熱交換器管束數量和布管層數也大大增加，由此管束之間熱膨脹差導致過高應力將更為典型，因此示范快堆中間熱交換器管束合理的結構設計至關重要。

1 中間熱交換器及管束結構

由方案設計可知，對于中間熱交換器換熱管采用空間螺旋彎管，同時采用外浮動管板式用以補償殼體和管束之間的熱應力膨脹差。每一層、每一根管束軸向彎曲弧度相同，彎曲段以環排方式進行管束的安裝、彎曲方式與該層布管圓周重合，所有層管束平面展平結構尺寸相同。

2 中間熱交換器管束結構設計方案

某中間熱交換器空間螺旋結構的設計參數包括換熱管規格、換熱管軸向總長、彎曲段展平高度、彎曲段與直管段夾角、彎曲半徑、正反螺旋段直管段長度等。

根據目前已知中間熱交換器管束設計方案中彎管段長度及其占各自管束軸向總長度的比例，中間熱交換器總體設計階段固定管束彎管段展平后與直管管的夾角為25°，彎管段總長考慮標準中的最大無支承跨距取值。

按標準的推薦，對于外徑為16 mm的最大無支承跨距為1 300 mm。按此原則，對中間熱交換器彎管總長設計了3種設計方案以作為后續應力分析評定的對象，各方案及其對應的支承布置方案如圖1所示，L5+L6分別為1 000 mm、1 300 m及1 500 mm。

示范快堆中間熱交換器管束支承方案如圖1所示。整個換熱管為對稱結構，L1=L1、L2=L3=L4=L7=L8=L9、L5=L6。直管段的支承結構由環板、波紋鋼帶和拉桿3個部分組成。環板為具有一定厚度和寬度的圓環，波紋鋼帶為梯形結構的鋼帶構成，換熱管被夾持在環板與波紋鋼帶之間形成對換熱管的約束和支承。對于相鄰的兩層管束，環板與內層的波紋鋼帶在整個圓周方向上取若干處點焊連接用于約束波紋鋼帶，與外層管束直接非固定接觸僅限制徑向位移。拉桿是與換熱管規格相同的實心鋼棒，彎曲方式與換熱管相同，拉桿與波紋鋼帶焊接連接用以固定波紋鋼帶，最終實現拉桿-波紋鋼帶-環板的固定。

3 中間熱交換器管束結構應力計算

3.1 材料性能

示范快堆中間熱交換器管束材料為奧氏體不銹鋼，其性能參數主要有彈性模量，熱膨脹系數以及抗拉強度等，可以通過ASME標準第Ⅲ卷查到。

3.2 載荷工況

示范快堆中間熱交換器管束承受的載荷工況主要有6種類型。參照核電站設計分析經驗，工況（6）全場斷電，事故余熱排出系統投入工況最為惡劣。取此為換熱管應力計算的基準工況。

3.3 基本假定

（1）由于換熱管束與殼體之間的平均溫度溫差，以及由于平均溫度的徑向溫度梯度的作用，使得最外層的換熱管處于最大負荷的作用之下。因此，中間熱交換器管束應力評定以最外層管束為計算對象。（2）對于示范快堆的管束結構設計，以120 ℃為設計限值，即最外層管束平均溫度取400 ℃，最內層管束及連接套筒平均溫度取500 ℃。（3）幾何模型的簡化。

上管板和筒體通過焊接連接，下管板與上管板通過中心管連接。換熱管為對稱結構，圖1中的6點為對稱點，并且6點處為垂直紙面約束，2～5和7～10點為換熱管的導向約束。

由于只關心換熱管的應力分布，因此模型中只建立換熱管模型，參考俄羅斯計算中國實驗快堆中間熱交換器換熱管計算模型，該文中的計算模型采用空間螺旋管展平結構。對圖1中，2、3、4、5、7、8、9、10處施加Y和Z向約束，6處施加Z向約束。換熱管上端施加全約束，將中心管軸向伸長量D作為約束條件施加在換熱管下端軸向方向，下端徑向方向全部約束。

根據設計者提供換熱管內壓為2 MPa；模型溫度：上管板為510 ℃，下管板為420 ℃，中心管為500 ℃，最外層換熱管溫度為400 ℃。由于換熱管束與殼體之間的平均溫度溫差使得最外層換熱管應力最大，該報告只考慮最外層換熱管。根據上面溫度，可以計算出中心管伸長量作為位移D施加在換熱管下端。

D=α×ΔT×L=（1.82×E-5）×（500-20）×6400=55.91mm

3.4 應力分析

針對第二節的3種換熱管結構方案，分別計算溫度載荷，以及自重、內壓和溫度載荷全施加情況下，換熱管的應力分布。

（1）彎管段跨距1 000 mm方案的應力計算。從結果的分布中可以得到，換熱管在彎管區應力最大為307.14 MPa，熱應力也是在彎管區最大為304.57 MPa。在彎管區處進行線性化，可以得到薄膜加彎曲應力為225.27 MPa，換熱管與管板連接處的軸向應力為14 MPa，軸向力為725.95 N。

（2）彎管段跨距1 300 mm方案的應力計算。從結果的分布中可以得到，換熱管在彎管區應力最大為183.09 MPa，熱應力也是在彎管區最大為179.33 MPa。在彎管區處進行線性化，可以得到薄膜加彎曲應力為133.93 MPa。換熱管與管板連接處的軸向應力為9.35 MPa，軸向力為487.16 N。

（3）彎管段跨距1 500 mm方案的應力計算。從結果的分布中可以得到，換熱管在彎管區應力最大為139.62 MPa，熱應力也是在彎管區最大為135.37 MPa。在彎管區處進行線性化，可以得到薄膜加彎曲應力為101.79 MPa。換熱管與管板連接處的軸向應力為8.06 MPa，軸向力為422.33 N。

4 結語

該文根據方案設計階段確定的管束熱應力補償方式，制定管束結構設計原則，并在此基礎上給出結構設計的待選方案，彎管段跨距分別為1 000 mm、1 300 mm和1 500 mm；通過合理假定開展換熱管待選結構設計方案的應力計算，得到換熱管與管板連接處軸向應力和軸向力。可以得到下面結論：換熱管應力主要是由于溫度載荷造成。隨著彎管長度增加，換熱管應力值逐漸減小。彎管區從1 000 ～1 300 mm時，應力減小明顯從307.14 MPa降到183.09 MPa。

該文根據方案設計階段確定的管束熱應力補償方式，制定管束結構設計原則，并在此基礎上給出結構設計的待選方案；根據工況輸入開展管束待選結構設計方案的應力分析和計算，為后續開展的管接頭結構設計與中間熱交換器管束結構設計的匹配提供輸入。

參考文獻

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